氫能燃料電池在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用和分析（演講全文）

中國能建廣東電力設(shè)計(jì)院王小博：氫能燃料電池在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用和分析助推綜合能源產(chǎn)融協(xié)同發(fā)展，完善綜合能源產(chǎn)業(yè)鏈合作、實(shí)現(xiàn)綜合能源產(chǎn)業(yè)騰飛，推動綜合能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。國網(wǎng)電子商務(wù)有限公司（國網(wǎng)雄安金融科技集團(tuán)）、國網(wǎng)江蘇省電力有限公司聯(lián)合北極星電力網(wǎng)于2019年4月18日在無錫召開中國綜合能源服務(wù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會。中國能建廣東省電力設(shè)計(jì)院氫能技術(shù)中心王小博作題為《氫能燃料電池在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用和分析》的演講。從氫能制備，儲、運(yùn)、配送，燃料電池的組件和應(yīng)用等幾個方面介紹氫能產(chǎn)業(yè)?！耙韵聻闀h實(shí)錄：”氫能燃料電池在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用和分析王小博中國能建廣東省電力設(shè)計(jì)院氫能技術(shù)中心謝謝大家，今天很榮幸能到綜合能源大會，和大家討論一下氫能燃料電池與綜合能源的結(jié)合。我簡單說一下氫能燃料電池這個產(chǎn)業(yè)鏈非常長，和綜合能源有一些特殊的結(jié)合點(diǎn)，今天時間有限，結(jié)合相關(guān)的時間點(diǎn)和大家交流匯報(bào)一下。先從今天的題目看一下，這個“原”不是傳統(tǒng)意義上能源的“源”，這里指的是原料，這個體現(xiàn)出氫能一個特性，它的原料特性，和綜合能源有很強(qiáng)的結(jié)合點(diǎn)。這個是美國能源部15年前關(guān)于氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈簡單的劃分，首先是天然氣和氫氣網(wǎng)絡(luò)，我們現(xiàn)在叫HCNG，把氫氣添加到天然氣管網(wǎng)中進(jìn)行運(yùn)輸。后面是最火的，因?yàn)閲鴥?nèi)現(xiàn)在燃料電池產(chǎn)業(yè)還主要是工信部在牽頭，這也是當(dāng)前最火的燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)。后面大家可以看到二氧化碳制氫合成油，這個我們認(rèn)為是一個很大的爆發(fā)點(diǎn)，不僅制油，制甲醇、甲酸，都有。下面可以看到煉油和生物質(zhì)，主要說一下煉油，本來氫和化工、石化產(chǎn)業(yè)的結(jié)合非常緊密，舉一個很簡單的例子國五升國六就是油品中氫的含量提高的國家，就帶來了煉化產(chǎn)業(yè)對于氫氣和氫能大量新的需求。國內(nèi)現(xiàn)在不讓上煤制氫裝置，這樣新的氫需求從哪里來建立？等會兒我們可以看到。這個是液氨，這個是非常基礎(chǔ)的化學(xué)品，氨氣和氫氣是液氨最基礎(chǔ)的原料。還有我們后面說的氫能冶金和其他產(chǎn)業(yè)。這里面體現(xiàn)出氫能什么特點(diǎn)？它既是能量，也是原料，這和其他的能源載體非常不同的一個地方。這是整個氫能燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈，這個產(chǎn)業(yè)鏈非常長，我說一下和今天主題相關(guān)的內(nèi)容。第一個我們看下面四個大標(biāo)題，是從氫能制備，儲、運(yùn)、配送，燃料電池的組件和應(yīng)用。這個是我們給一家央企做企業(yè)級的氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的一張度。今天我們說的是工業(yè)副產(chǎn)氫，能把工業(yè)副產(chǎn)氫都用上，不用上很多的制氫裝置。比如說看到氯堿，尤其是焦?fàn)t尾氣，全球鋼鐵看中國，中國鋼鐵看河北，中國一年有1800億方的膠乳尾氣，原來都是當(dāng)做余熱鍋爐燒掉了，如果能夠提取帶來作用非常好。甲醇和合醇氨的其中氫氣的含量，包括甲烷含量非常高?；剂现茪?，我們不是很推薦，因?yàn)闅淠鼙旧砭褪堑吞?，你用化石燃料制氫的話，總覺得這一條從產(chǎn)業(yè)鏈或者是排放角度來講說不太過去?？稍偕茉唇Y(jié)合，這個很直觀，很簡單。只不過對應(yīng)的電解水制氫方式現(xiàn)在有變化，現(xiàn)在有了質(zhì)子交換膜的電解。儲氫方式今天就不展開了，燃料電池也不展開，后面看一下第一個化工結(jié)合，氫氣本身還是合醇氨和甲醇和石油煉化的原料。我們看最右邊的一欄，同時他可以發(fā)電，無論是家庭用還是分布式發(fā)電，家庭用現(xiàn)在日本做得比較成熟了，日本也有近10萬臺的銷量。家用從700瓦到3000瓦都有，后面還有一些特殊的應(yīng)用，大家可以看到氫氣儲能的分很多種。第一代就是電解水制氫，非常直觀。第二代就是氫氣的甲烷化，二氧化碳+氫是甲烷。后面還可以看到，我們這里有一個質(zhì)子交換膜的電解，這個是在特定場景的綜合能源系統(tǒng)可以看到，只有質(zhì)子交換膜電解出來的氧氣，因?yàn)橛袣渚陀醒?，可以達(dá)到一用氧的標(biāo)準(zhǔn)。一用氧在國內(nèi)還是很有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，正常的3-4塊一方。后面特殊應(yīng)用，今天時間原因不展開了。這個是BP關(guān)于全球能量循環(huán)圖，大家還是可以看到無論是中間怎么轉(zhuǎn)化，很清楚一點(diǎn)就是氫和燃料電池整個產(chǎn)業(yè)首先不是一次能源，都是從其他能源轉(zhuǎn)過來，唯一區(qū)別就是如果把副產(chǎn)氫算上，大家可以看到最右邊工業(yè)和石化產(chǎn)品中，我的副產(chǎn)品回到源頭作為一次能源。氫氣本身不是以一次能源形式存在的，像中國大量的從煤炭，我們現(xiàn)在鼓勵火電廠很少上。但是我不知道有沒有發(fā)現(xiàn)從2018年底開始，煤化工項(xiàng)目上得非常多，也就是我們所對應(yīng)固體燃料轉(zhuǎn)化。這個跟中美貿(mào)易戰(zhàn)有關(guān)系，因?yàn)橹袊囊叶疾荒車a(chǎn)，第二個跟煤炭高效利用有關(guān)系。這個是日本去年發(fā)布的，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在做大灣區(qū)的能源規(guī)劃，所以對標(biāo)研究日本韓國、包括加州能源規(guī)劃。那么日本能源規(guī)劃中其中很多點(diǎn)跟綜合能源非常相關(guān)，這是日本的氫能社會，包括整體很多就是脫碳。最右邊大家可以看到是日本未來關(guān)于能源中占比，可以看到綠色是氫能，從石油到煤，包括LNG。LNG的量會保持一個相對的穩(wěn)定，尤其是我們化石能源大幅降低。最下面一張圖是關(guān)于各個行業(yè)二氧化碳排放，這是REA的數(shù)據(jù)，其中我們的電和熱對應(yīng)就是綜合能源產(chǎn)業(yè)占到了42%的二氧化碳排放量，后續(xù)我們看到國家政策就能夠理解。這個是廣東省能源局委托我們院開展大灣區(qū)能源規(guī)劃的工作，其中和現(xiàn)在整體思路完全一致，不僅是國內(nèi)、國外包括綜合能源，包括是大灣區(qū)能源規(guī)劃，大家在很多點(diǎn)其實(shí)走到一起。大灣區(qū)當(dāng)時的能源規(guī)劃就一共8個字，清潔低碳，安全高效。清潔低碳的本質(zhì)還是脫碳化。而安全高效指的是綜合能源化，因?yàn)橛辛司C合能源能源供給安全性和保障性提高了，第二個綜合能源肯定是高于單一能源供給系統(tǒng)，他有他的高效。從國際上來講，從廣東省來講增長天然氣業(yè)務(wù)和綜合能源業(yè)務(wù)。后面從國際上的公司帶來的綜合能源化業(yè)務(wù)拓展之外，大家從公司名字也能看得非常清楚。大家可以看到把所有和煤、碳、油相關(guān)所有資源全部從公司的名字中去掉。中國媒體的報(bào)道有的放矢的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們所能感受到的趨勢。但是國家也在在行動，也就是這個月2019年4月3日，原來是放在發(fā)改委，現(xiàn)在是國家部委改革之后，生態(tài)環(huán)境司劃到了生態(tài)環(huán)境部，《碳排放交易管理暫行條例》。所以說這塊的政策啟動會很快，現(xiàn)在征求意見稿的階段。未來的政策啟動會非?？?，又聯(lián)系到電和熱，占到了42%的碳排放，所以未來這塊對于我們綜合能源系統(tǒng)或者對于我們整個能源系統(tǒng)的技術(shù)路線選擇會產(chǎn)生比較大的影響。我說一下氫能，氫能特性比較特殊，那么他是可以在熱網(wǎng)、電網(wǎng)和我們天然氣管網(wǎng)中來回轉(zhuǎn)換的，他有他非常獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，這是REA的一張圖，氫能可以把這些東西都串起來，這是一個唯一都能轉(zhuǎn)起來的物質(zhì)。從最下面的氫能源網(wǎng)也是可以看到的，說到氫能就必須要談到燃料電池，從燃料電池來講，我們現(xiàn)在比較推薦的是熔融碳酸鹽、固態(tài)氧化物紙盒質(zhì)子交換膜這三種，相關(guān)的應(yīng)用后面會簡單提到。燃料電池從10瓦到兆瓦級都有，們在做的時候都有在布局，小的，尤其是像100瓦以下很多，我們也做一些跟軍方相關(guān)的單兵電源，兆瓦級是我們更喜歡的，到了分布式發(fā)電。我們剛才說到了很多副產(chǎn)氫，現(xiàn)在就有一個氯堿，2017年在國內(nèi)最大的氯堿廠就很小一部分的氯堿尾氣就已經(jīng)建了一個2兆瓦的質(zhì)子交換膜的分布式發(fā)電。因?yàn)樗歉碑a(chǎn)氫，這個氫氣可以按照非常低的價(jià)格來，所以這個項(xiàng)目的收益是非常好的，而且這將是中國和歐盟的合作項(xiàng)目。第二個就到了石化行業(yè)，在每一步煉化過程中都有很多含氫的尾氣出來，但是因?yàn)槟すに嚨牟怀墒欤蠹铱梢钥吹?0-25%含量的尾氣都只能去燒掉。大家看到大量石化廠主要就是燒這個，60以上的含氫尾氣，推動我們的吸附過程可以回收的，但是20-25的很難，現(xiàn)在進(jìn)行了回收兩個作用。要么自己再去用，因?yàn)楝F(xiàn)在就需要多的氫，如果用不了就可以和未來燃料電池汽車各方面都可以產(chǎn)生一個結(jié)合，帶來很多氫氣的來源。這是一個更廣意義上的綜合能源系統(tǒng)，可以看到這個是大連石化用的，我們在廣通院在二氧化碳捕捉上大連理工有合作，大連理工還獲得了國家科技進(jìn)步二等獎，就是今年在1月份也做了頒獎，尤其是國產(chǎn)技術(shù)，比對應(yīng)的進(jìn)口技術(shù)有了很大的優(yōu)勢。最右邊是我們做的二氧化碳捕捉，也是用了膜法，唯一的區(qū)別就在于分子量的大小，氫氣的分子量非常小，二氧化碳分子量非常大，所以選擇的膜種類是不一樣的。能源行業(yè)和氣體分離行業(yè)的結(jié)合，將會產(chǎn)生非常驚人的市場規(guī)模和環(huán)保效益。這是我們做的二氧化碳捕捉項(xiàng)目，這個項(xiàng)目已經(jīng)開始調(diào)試了，這個是大概的原理圖，為什么我們說二氧化碳？因?yàn)榍懊婷绹茉床磕莻€圖已經(jīng)看到了二氧化碳加氫可以制很多東西。二氧化碳本身還要低碳排放，你還能把它用掉，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是雙倍的，這個是焦?fàn)t煤氣，大家可以看到，中國一年又1850億立方的焦?fàn)t煤氣。當(dāng)然，以后肯定會逐步下降，隨著中國不斷地壓鋼鐵的產(chǎn)能，從環(huán)保的角度。但是這個量級是永遠(yuǎn)存在的，大家可以看到五焦?fàn)t煤氣中的主要含量是什么？55%的氫氣，23%的甲烷，5%的一氧化碳，這三個加起來都可以作為SOFC和MCFC的燃料。質(zhì)子交換膜不可以，因?yàn)橐谎趸紩舅卮呋瘎?，但是高溫燃料電池是沒有問題的。這是20年前美國能源部氫能技術(shù)總監(jiān)做的一張圖，說了不同燃料電池對于燃料的需求，SOFC和MCFC這兩種高污染燃料電池是唯一一個有著極強(qiáng)燃料適應(yīng)性。大家可以看他用氫氣最好，也可以用甲醇、天然氣和液體燃料都可以。因?yàn)?，現(xiàn)在有大量的生物質(zhì)乙醇，這個可以直接用的。SOFC我們認(rèn)為未來它可以直接用天然氣，而且跟質(zhì)子交換末燃料電池不一樣，不使用貴金屬，隨著產(chǎn)能大規(guī)模生產(chǎn)，成本是可以與燃?xì)廨啓C(jī)持平的，而它比燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)勢非常明顯，他是電化學(xué)反應(yīng)，他又沒有任何氮氧化物的排放，量還是很大，雖然沒有二氧化硫但是氮氧化物的配方是非常高的。這個是我們之前給各級政府部門匯報(bào)的時候關(guān)于SOFC成本的下降，這個還是基于1.5千瓦家用型的，如果基于60-80千瓦的分布式發(fā)電這個價(jià)格可以更低，我們是希望快速勁到8000塊錢每千瓦的成本。這是在美國SOFC應(yīng)用狀況，去年是全球第一的SOFC供應(yīng)商，去年是在紐交所上市了。這里大家可以看到，在2015年第一季度就以前賣出了15兆瓦的SOFC。現(xiàn)在已經(jīng)超過1000兆瓦了，很遺憾設(shè)備對中國是禁售的，我們也在想自己開發(fā)這一塊。當(dāng)然，（英文）核心供應(yīng)商在中國，這也是我們能夠把這個工作往下走的底氣。我們做了一個比較，像焦?fàn)t煤氣，右邊是回到余熱鍋爐中燒掉的產(chǎn)生的電量，橘黃色的是在SOFC中發(fā)電同樣體積，同樣容量帶來的區(qū)別。SOFC因?yàn)檫\(yùn)行溫度到了750度，有非常好的熱電聯(lián)產(chǎn)的效應(yīng)。在美國大家可以看到，無論是蘋果、Google都是用的SOFC作為數(shù)據(jù)中心的主電，這個尤其強(qiáng)調(diào)一下，說明什么？說明可靠性非?？煽糠浅８?。另外一個國家現(xiàn)在做的重大專項(xiàng)就是IGFC煤氣化結(jié)合燃料電池，這里帶來一個什么呢？因?yàn)槊簹饣枰冄醯模诵木褪荢OFC。IGCC在中國也上了，但是否成功我們不加評論，IGFC會有更好的發(fā)展?jié)摿?。這是我們做的國內(nèi)首個同時有質(zhì)子交換膜和SOFC的分布式微網(wǎng)的項(xiàng)目，簡單的一套微網(wǎng)有光伏，有儲能電池。廣東現(xiàn)在在申請一個政策就是電解水制氫，夜間可以享受冰蓄冷的電價(jià)，就是谷電的一半。這個效益是非常明顯的，這里面有了SOFC和質(zhì)子交換膜。這是另外一個基于樓宇級別，大家看到固體氧化物最大的好處有高溫蒸氣出來，他有非常好品質(zhì)的熱，后續(xù)可以跟各類，無論是熱泵來制冷和后面整個熱和冷結(jié)合非常明顯。為什么數(shù)據(jù)中心喜歡用他？有熱就有冷，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心對冷的需求量非常大。這是歐盟的示范單位項(xiàng)目，是在意大利2016年投產(chǎn)的，他用另外一個思路國內(nèi)很有參考的價(jià)值，他是用的污水處理廠的污泥液氧發(fā)酵產(chǎn)生的生物制甲烷，對我們來說其實(shí)天然氣就是甲烷，這個作為SOFC發(fā)電原料，這個是另外一個意義上綜合能源系統(tǒng)了。你這個原料來源多樣化，尤其是生物制結(jié)合，國家現(xiàn)在上這么多生物制耦合發(fā)電，生物制耦合產(chǎn)生合成氣，一氧化碳和氫氣你回到燃煤鍋爐所產(chǎn)生的效益是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)SOFC的效益，也就是說SOFC跟生物制耦合提出新的解決方案，或者說更加高效解決方案。這是我們做另外一個項(xiàng)目，這個項(xiàng)目是很強(qiáng)科技示范意義，因?yàn)橛昧朔浅Ｐ碌募夹g(shù)。第一SOEC，我這里強(qiáng)調(diào)一下為什么用到SOEC，因?yàn)橛脽崾荢OFC逆過程。所以后面會綜合能源系統(tǒng)中，大家一般都是熱負(fù)荷確定是最難的。熱過了怎么辦？不管是用電鍋爐能蓄熱非常有限，這個時候如果系統(tǒng)熱負(fù)荷不匹配，尤其多余的時候你可以通過SOEC來制氫，其實(shí)通過輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)把電和熱的配比可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的。我多余的熱可以用來制氫，這是非常靈活的地方。就是說他可以消納多余的熱負(fù)荷，之前我們更多考慮怎么消納多余的電負(fù)荷。這里除了儲氫裝置直接作為一個加氫站的氫源了，因?yàn)楝F(xiàn)在主要還是在公交車，這里面有LOG，LOG氣化站的選址如果能夠和數(shù)據(jù)中心，有強(qiáng)烈冷負(fù)荷的需求結(jié)合起來產(chǎn)生效益非常好。他有負(fù)的173度的生冷，在氣化過程中這些生冷很多時候被浪費(fèi)掉，如果和數(shù)據(jù)中心制冷需求相結(jié)合會帶來效益是非?？捎^。這是說了一下MCFC，本身高溫燃料電池，他融了碳酸鹽，但是為什么現(xiàn)在會來這么好的效益？只是中光和在韓國購買了16兆瓦的MCFC的電站，效益非常好。首先本身在韓國作為低碳發(fā)電，本身有補(bǔ)貼。他本身自己利用火電廠尾氣進(jìn)來，15%的二氧化碳進(jìn)來，在碳酸跟遷移出來是83%的二氧化碳，等于說他又消納了火電廠的二氧化碳，他再收一筆補(bǔ)貼，這個效益非常好的項(xiàng)目。SOEC是SOFC逆過程，因?yàn)榇蠹铱吹讲僮鳒囟鹊搅?00度了，這是唯一一個當(dāng)前有可能電解海水制氫的裝置，這個現(xiàn)在海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合。第二，鋰電池，尤其是軍方的需求。大家另外還想，我制出了氫氣，氫氣通過燃料電池發(fā)電是不是產(chǎn)生的水？那我在儲能的同時其實(shí)實(shí)現(xiàn)了海水淡化，我不需要再給鋰電電源再新建海水淡化裝置了?，F(xiàn)在唯一缺陷做的只能做到千瓦級，我們希望盡快推動商業(yè)化，我們自己正在做1000瓦的樣機(jī)。SOCE除了制氫還可以利用熱和電將二氧化碳轉(zhuǎn)化為合成氣，合成氣就是一氧化碳和氫氣，這是化工中最基本的原料。那么和化工產(chǎn)業(yè)結(jié)合點(diǎn)是非常好的，所以其實(shí)之前跟能源局領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)的時候，電力+化工有了新務(wù)工。綜合能源系統(tǒng)我們不一